基于能量原理分析森林植被对水土保持的影响

韩家永，李芝茹，宋启亮

(1.黑龙江省铁力林业局，铁力152500;2.东北林业大学工程技术学院，哈尔滨150040)

森林是陆地上分布面积最大、组成结构最复杂、生物多样性最丰富的生态系统，具有多种功能和价值，是陆地生态系统的主体［1］。森林植被作为构建生态环境的主要因子，在调节气候、涵养水源、防风固沙、防止水土流失、改良土壤等方面具有重要作用。森林植被可以通过根系固着土壤颗粒，然后经土壤微生物作用来改善沙地土壤状况，减少风蚀，防止水土流失和流沙扩展，改良土壤的养分状况。早在1971年，美国学者Ellson就通过对森林植被保持水土方面的研究，认识到植被对土壤的保护作用是由于它使降落的雨滴减少或丧失了动能［2］。同样，1989年国内也有研究显示有林地可以降低风速40%60%，并有效缓解沙尘和土壤侵蚀［3］。同时森林植被能够提高蒸发量并减少水的产流量，这与草地和农作物覆盖下的集水区是相同的。在2000年，澳大利亚学者Robert A Vertessy和南非学者Peter J Dye就森林植被对集水区水量平衡及水土流失的影响方面展开研究［4］，认为受森林覆盖变化影响的产水量主要随着年降水量和森林类型而变化，同时在一定程度上受当地小气候条件的影响，主要是由于林冠的降水截留作用。通过林冠截留降雨外，也影响着森林水文过程［5］。裸地与有植被覆盖地降雨水文过程对比图可以看出(如图1所示):由降雨造成的土壤侵蚀，是降雨与土壤之间的直接作用引起的。降雨直接作用于地表，势必引起地表击溅，破坏土壤表层，造成不同程度的击溅量。被溅起的土壤随雨水作用形成各种不同类型的侵蚀。而由于植被的介入，使降雨在到达地面前和入渗后都受到了植被的影响，从而缓解降雨和土壤的直接作用，减少击溅量和冲刷量，从而减轻地表径流和水土流失。

图1 裸地与有植被覆盖地降雨水文过程对比图Fig.1 Contrast of rainfall hydrological process between exposed land and vegetation land

由此可见森林植被在水土保持方面意义重大，而探明森林植被防风固沙、遏制水土流失的原理可以指导人们科学合理的开发利用森林资源，有针对性的开展水土流失治理工作。在追求森林经济价值和社会价值的同时顺应自然规律，让森林更好的发挥它的生态作用。因此深入探究森林植被在水土保持方面作用仍然具有现实意义。

1 森林资源的增加对环境的积极影响

1.1 我国森林资源变化趋势

基于森林是陆地生态系统的主体，林业在我国社会经济发展中有着举足轻重的地位，人们对林业的重视程度逐年提高。从建国以来到2008年为止，我国林业部于1962年开始，历时12年完成了1次彻底的全国森林资源整理统计汇总，并随后连续7次进行了全国森林资源清查［6－8］。在延续了近30a的全国森林资源清查工作中，随着使用的仪器设备越来越先进和精确，所考察的项目也越来越丰富，得到的数据也越来越完善。每次全国森林资源清查结果，都不同程度地客观的反映了当时全国森林资源的现状，如表1所示。

表1 全国森林资源清查结果汇总表Tab.1 The summary of national forest inventory result

可从表1中观测到历年来森林资源消长变化动态为:全国森林面积由12 186万 hm2增加到19 545.22万 hm2，森林覆盖率由 12.7%提高到20.36%，活立木蓄积量和森林蓄积量均不同程度的提高，而且涨幅渐渐增大。值得一提的是，天然林面积缓步增加的同时，随着政策的推进和国家投入力度的加大，我国人工林面积逐年飙升，先后几次年平均人工林增加面积居世界首位［8］。

虽然我国森林资源总量位于世界前列，但人均占有量很低。我国森林面积居世界第五位，森林蓄积量列第七位。但我国的森林覆盖率只相当于世界森林覆盖率的61.3%，全国人均占有森林面积相当于世界人均占有量的21.3%，人均森林蓄积量只有世界人均蓄积量的12.5%［8］。而且森林质量不高，单位面积蓄积量指标远远低于世界林业发达国家水平。林龄结构不合理，可采资源继续减少，这对后备资源培育构成极大威胁。同时从第4次清查中就体现出林地被改变用途或征占用作非林行业数量巨大，清查期间最高林转非面积高达1 010.68万hm2，而且据不完全统计近年来林转非面积也在持续扩大［9］。因而针对清查中发现的种种问题，国家林业部门也出台很多的政策，并采取措施及时补救出现的问题，确保森林更好的发挥其生态作用。

1.2 我国水土流失方面问题严峻

水土流失，是指在湿润或半湿润地区，由于植被严重破坏导致的，土壤及其他地表组成物质在水力、风力、冻融、重力和人为活动等作用下，被破坏、剥蚀、转运和沉积的过程。一般水土流失强度分为:轻度、中度、强度、极强度、剧烈5个等级［10］。我国大部分地区属于季风气候，大部分地区属于湿润或半湿润地区，降水量集中，雨季降水量常达年降水量的60%～80%，且多暴雨，具有易于发生水土流失的地质地貌条件和气候条件，因此水土流失现象在我国十分严重。如表2全国不同时期水土流失面积统计表所示，每次数据采集体现的水土流失面积都大的惊人，以1985年采集到的水土流失数据1 794 169.22 km2相当于179个中等足球场的面积，可见水土流失面积之广。水土流失带来的后果是土壤的养分 (即土壤中的N、P、K、腐殖质等)随之流失，使土地变贫瘠、变荒漠化而无法种植农作物，或在干旱地区引发沙尘天气等。尤其在我国水土流失较为严重的河源区，其脆弱的生态环境退化趋势正在加重，生态问题十分突出。水土流失面积每年平均新增21万hm2，侵蚀程度日趋严重。目前，黄河源区的土壤侵蚀最为严重，水土流失面积达750万hm2，占整个黄河流域水土流失面积的17.5%。每年输入黄河的泥沙超过数千万吨，而黄河每年向下游的输沙量达16亿t，如果堆成宽、高各1m的土堆，可以绕地球27圈多。19501999年黄河下游河道淤积泥沙92亿t，致使河床普遍抬高2～4 m。据统计，建国以来我国因自然灾害造成的损失约25 000多亿元，年均灾害损失约占年均GDP的3%6%，占财政收入的 33%左右［10］。

而随着治理力度的加大，对照表1中第36次森林资源清查数据，在森林面积和森林覆盖率有所提高的同时，我国的水土流失问题也得到了一定的控制，水土流失总面积1995年较1985年明显减少，而2000年水土流失总面积3 569 212.15 km2较1995年流失总面积3 555 557.24 km2虽略有增长［11］，但涨幅不足0.4%。

表2 全国不同时期水土流失面积统计 km2Tab.2 Statistics of soil erosion area in different time km2

图2 森林破坏与水土流失循环图Fig.2 The circle of forest destroy and soil erosion

1.3 森林在遏制水土流失方面的作用体现

由于我国人口多，粮食、民用燃料需求等压力大，在生产力水平不高的情况下，对土地实行掠夺性开垦，片面强调粮食产量，忽视因地制宜的农林牧综合发展，把只适合用于林、牧业利用的土地也辟为农田。大量开垦陡坡，以至陡坡越开越贫，越贫越垦，生态系统恶性循环;过度放牧现象、或滥砍滥伐森林，甚至乱挖树根、草坪，树木锐减，使地表裸露，这些都加重了水土流失［12］。使我国的生态陷入了围绕农业、林业和水土流失的恶性循环中，如图2所示。另外，某些基本建设不符合水土保持要求，不合理修筑公路、建厂、挖煤、采石等，破坏了植被，引起水土流失，边坡稳定性降低，甚至引发滑坡、塌方、泥石流等更严重的地质灾害。

可见森林是遏制水土流失的有效屏障，要遏制水土流失，首要任务是加强林业方面的建设，在保护天然林的同时扩大植树造林力度，提高人工林面积，从而提高森林覆盖率，防治水土流失。截至2006年底，全国累计完成水土流失初步治理面积92万km2，其中建设基本农田1 300万hm2，营造水土保持林460万hm2，使我国水土流失现象得到了一定程度的控制［13］。而森林植被究竟如何防治水土流失，还需要继续深入探讨。

2 对森林植被保持水土原理的一点看法

2.1 土壤水研究中自由能的引入

水土流失从物理学角度看来，是一定条件下外营力作用于具有自由能的土壤水，从而使土壤及其他地表组成物质被冲蚀、转运、剥离原土层。在很多关于土壤水的研究中，常常把水作为一个系统，把土壤固相和空气作为环境来处理，此时土壤、水、环境之间存在能量交换。而根据热力学第一、第二定律，一个封闭系统在等温等压过程中，所作的非容积功等于 (可逆过程)或小于 (不可逆过程)自由能的减少，因此自由能是指系统中具有作非容积功的那部分能量，非容积功原始的能量表达如公式 (1)所示。

式中:δWf为系统对环境所作的非容积功，dU为热力学状态函数的全微分，pdV=Wa其中p为常量，T表示绝对温度为常量，dS为系统的熵变。

一般研究的是等温等压 (可逆)过程，T、p为常量，即:－

令G=U+pV+TS，G为自由能，也是一个状态函数，则有有:

当对于研究的不可逆热力学过程，由于系统在变化过程中从环境吸收的热量小于TdS，因此有:

即系统所作非容积功小于等于系统自由能的减少，而自由能又被称为吉布斯 (Gibbs)函数、吉布斯自由能、等温等压位等。是等温等压下热力学体系的一个参数［14－18］。

2.2 土壤水的自由能

依然以水为系统，把土壤固相和空气作为环境研究，当纯净的自由水进入土壤中成为土壤水时，其能量状态也发生了变化，公式 (1)两端各加上(SdT－Vdp)，则有:

由此得出土壤水最初微分方程为:

由于δWf表示系统对环境所作的非容积功，－δWf则表示环境对系统所作的非容积功。环境(土壤固相和空气)对水所作的非容积功包括很多因素，如重力、毛管力、土壤颗粒的表面吸力等。

重力对水做的功为mgdz，m为水的质量，g为重力加速度，dz为高差。其他因素对水作的非容积功均以强度因素Y(如机械功中的力)和容积因素dX(如位移)的乘积来表示，则上式可表示为:

以上分析均假定系统相对独立，没有质量交换，即土壤水的物质组成和浓度不变。而实际上水是含有各种溶质的，若含有的各种溶质浓度发生变化，势必影响土壤水的自由能。若以ni表示第i种溶质的浓度，则土壤水自由能为:

若以1 mol水作为分析对象，则有:

由此可以从能量角度分析水土流失过程中土壤水的运动情况，以及森林植被抑制水土流失的微观过程。

2.3 土壤水特性曲线

基于以上分析，土壤基质势随土壤含水量的不同而变化。根据土壤水特性曲线，可以分析土壤水非饱和状态下的能态与数量间的关系图，是分析土壤水保持和运动的基本资料。

如图3所示Sa称为进气吸力 (或进气值)，当土壤饱和时，土壤基质势 (或土壤基质势吸力)为零。如果对土壤施加一定的微小吸力，土壤由于土壤颗粒及毛管力等作用并没有水流出。当吸力逐渐增大直到超过某一临界值Sa时，土壤中的大孔径开始排水使土壤含水量减少。当吸力进一步的提高，土壤中更多的相对大的孔径不能继续持水而排出水来，土壤水分进一步减少。这一过程持续进行，土壤吸力持续提高，土壤基质势持续降低，土壤含水量持续减少。

图3 土壤水特征曲线Fig.3 Soil water characteristic curve

综上所述，植物根系吸水时根系的吸水力大于土壤对毛管水的吸力，所以水被植物吸收，其中溶解的养分也随之供植物利用。而土壤持水性能的好坏由土壤孔径大小、土壤颗粒表面积大小、土壤内团聚体数量等因素影响，土壤颗粒的直径和体积越细小，其表面积越大，颗粒表面分子的引力越大，其锁水性能越好。原则上，土壤孔径越大，其间空气和水分的运动越顺畅，可为植物根系的伸展提供空间，为土壤动物的活动提供通道。但是土壤孔径过大会使其毛管力降低从而不利于土壤持水。土壤内团聚体 (也作粘粒)，通常分为硅酸盐粘粒和铁铝氢氧化物粘粒两类，二者分别是中纬度和热带风化过程的典型产物。土壤团聚体内部存在大量的毛管孔隙，吸水力强，能储存很多水分，且大部分水分和某些有效养分都被吸持在粘粒的表面，使粘粒在土壤中起着水分和养分储存库的作用，因此土壤团聚体越多越利于土壤持水。即土壤团聚体越多，土壤质地愈粘重，表面积愈大，土壤孔径越小，愈利于土壤基质持水。

3 结束语

结合以上我国历年来森林资源清查数据和水土流失面积统计结果，随着森林植被的破坏，我国的水土流失现象越来越严重，同时随着森林面积的增加，水土流失现象得到了一定程度的缓解。究其原因，在植物根系吸水、蒸腾作用、凋落物形成腐殖质等一系列过程中，都不同程度的影响土壤水的运动，从而提高土壤持水量，抑制地表径流，防止水土流失。

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［8］国家林业网.http://www.forestry.gov.cn/.

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